CN111030502B - 音叉形双足直线压电电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种音叉形双足直线压电电机，包括音叉形压电电机、运动导轨组件和弹性预紧组件，所述压电电机由一音叉形金属体和六片矩形压电陶瓷片组成，压电陶瓷片贴于压电电机肩部，压电电机通过弹性预压组件产生的弹性力与运动导轨组件接触，该弹性预压组件具有与导轨运动方向相垂直的单一线性自由度。通过对两组压电陶瓷片施加具有π/2相位差的驱动信号，将在驱动足处激励出前后摆动的运动，由于弹性预紧组件的作用，通过摩擦力驱动导轨做直线运动；若激励电压信号的相位差切换为‑π/2，导轨的直线运动方向反向。该电机具有结构简单、紧凑、响应速度快、能量密度高等优点。

Description

音叉形双足直线压电电机

技术领域

本发明涉及一种音叉形双足直线压电电机，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

超声电机，又称压电电机，是上世纪八十年代发展起来的一种全新概念的微特电机，也是目前新型微特电机中研究较为成熟的一种。它利用压电材料的逆压电效应激发出弹性体在超声频段内产生振动，通过定子和动子之间的摩擦作用获得运动和扭矩。和传统电磁电机相比，超声电机具有惯性小，响应速度快，功率密度大，断电自锁、噪声小、几乎无磁场产生且受磁场影响小等优点，非常适合于现代以及未来科技对致动器小型化的要求，在微机电系统中大有取代电磁电机的趋势。

超声电机在近三十年的发展中，已经取得了丰硕成果。部分超声电机已经在航空航天、武器、生物医学、光学、机器人等领域应用并商业化，由于其定位精度高，响应时间短，已经应用在Canon公司照相机上AF镜头上的聚焦。但是，现阶段的超声电机存在输出效率小，寿命短，不适合连续运行的场合以及输出不稳定等问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种效率高、结构简单、紧凑、响应时间短、工作可靠、使用寿命长，能够在微型场合下使用的音叉形双足直线压电电机。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案：

一种音叉形双足直线压电电机，包括音叉形压电电机、运动导轨组件和弹性预紧组件，所述音叉形压电电机由一音叉形金属体和六片矩形压电陶瓷片组成，所述压电陶瓷片贴于音叉形金属体的肩部与腿部的结合处；所述弹性预紧组件为矩形支架通过紧定螺钉固定在音叉形压电电机的振动节点附近，音叉形压电电机通过弹性预压组件上方的固定于顶板底部的弹簧产生的弹性力与音叉形压电电机下方的运动导轨组件中的导轨接触；所述运动导轨组件由导轨通过滑块安装在基座上；工作过程中音叉形压电电机的对称轴始终与导轨面垂直，该弹性预紧组件具有与导轨运动方向相垂直的单一线性自由度。

所述音叉形压电电机由音叉形金属体和六片压电陶瓷片组成，所述音叉形金属体部分结构如音叉，由头部肩部腿部三部分组成，头部为矩形块，由于头部位于振动节点附近，具有相对最小弹性形变，用于与弹性预紧组件的安装，从而固定音叉形压电电机，为音叉形压电电机提供预紧力；肩部宽度宽于头部，肩部下为腿部；腿部为两长条形长方体，构成音叉形压电电机的驱动部分，腿部上方与肩部结合处四周粘贴有六片压电陶瓷片，腿部与肩部的结合处内侧对称开有圆弧槽，使振动的能量更多的集中在腿部末端，实现动力放大。

所述六片矩形压电陶瓷片粘贴于腿部上端和肩部的结合处的四周，且沿厚度方向极化，音叉形金属体肩部的六个表面分别与矩形压电陶瓷片的负极重合，共同接地。

对所述六片矩形压电陶瓷片中沿音叉形金属体厚度方向的四片和宽度方向上的两片的正极分别施加具有π/2相位差的正弦交流电压信号，激励出音叉形金属体在空间上正交的两个工作模态，所述两个工作模态在驱动足末端的厚度平面内耦合出椭圆运动轨迹，在弹性预紧组件的作用下，通过摩擦力驱动导轨做直线运动；当施加在压电陶瓷片上的激励电压信号相位差切换为-π/2时，导轨的直线运动反向。

音叉形压电电机具有两种模态组成双模态组合的可能，第一种是面外同侧弯曲与双足对向振动的复合，面外同侧弯曲为音叉形压电电机的腿部同时前后弯曲振动，从而导致两个驱动足在水平方向上前后弯曲振动，双足对向振动为音叉形压电电机的腿部在平面内左右对向来回振动从而导致两个驱动足在轴线方向是交替上下振动，两种模态相互复合，在从而形成椭圆运动，在预紧组件预紧力的作用下推动驱动导轨做直线运动；第二种是面内同向弯曲与双足面外交叉振动的复合，面内同向弯曲为音叉形压电电机的腿部同时左右弯曲振动，从而导致两个驱动足在轴线方向上交替上下振动，面外交叉振动为音叉形压电电机的腿部在水平线上前后弯曲振动，且两驱动足方向相反，从而在水平方向上交替形成前后振动，两种模态相互复合，在从而形成椭圆运动，在预紧组件预紧力的作用下推动驱动导轨做直线运动。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明的一种音叉形双足直线压电电机效率高、结构简单、紧凑，因此制作成本低，音叉形金属体形如音叉，相比于悬臂梁只有一个节点，音叉腿部可产生类似于悬臂梁第一阶大振幅的弯曲振动，而且音叉形金属体的节点处既无线位移也无角位移，装夹时能量损失小。腿部与肩部的结合处内侧对称开有圆弧槽，使振动的能量更多的集中在腿部末端，实现动力放大，腿部末端为倒梯形驱动足，增加了压电电机的能量密度，使压电电机有更大的输出力和输出速度，也提高了压电电机的快速响应能力。同时该电机有两个驱动足，使驱动过程更加平稳可靠，因此定位精度高，工作可靠，也增加了使用寿命，更适用于微型场合。

附图说明

图1是本发明提出的音叉形双足直线压电电机的整体结构示意图；

图2是音叉形金属体结构示意图；

图3、图4是矩形压电陶瓷片的安装示意图；

图5是各压电片的正负极与施加在矩形压电陶瓷片的电压信号示意图；

图6是双足面外交叉振动工作模态A的振型图；

图7是面内同向弯曲振动工作模态B的振型图；

图8是双足对向振动工作模态C的振型图；

图9是面外同侧弯曲振动工作模态D的振型图；

其中：1-顶板，2-弹簧，3-矩形支架，4-压电陶瓷片，5-导轨，6-基座，7-滑块，8-紧定螺钉，9-音叉形压电电机，10-音叉形金属体。

具体实施方式

本发明提供的音叉形双足直线压电电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清晰，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的音叉形双足直线压电电机，如图1所示，包括音叉形压电电机9、运动导轨组件和弹性预紧组件。所述音叉形压电电机9由一音叉形金属体10和六片矩形压电陶瓷片4组成，所述压电陶瓷片4贴于音叉形金属体10的肩部与腿部的结合处。所述弹性预紧组件为矩形支架3通过紧定螺钉8固定在音叉形压电电机9的振动节点附近，音叉形压电电机9通过弹性预压组件上方的固定于顶板1底部的弹簧2产生的弹性力与音叉形压电电机9下方的运动导轨组件中的导轨5接触；所述运动导轨组件由导轨5、滑块7、基座6组成，滑块7通过螺栓固定在基座6上，导轨5穿过滑块7，可在滑块7上沿直线前后自由滑动。工作过程中音叉形压电电机9的对称轴始终与导轨5面垂直，弹簧2的下底面置于矩形支架3的上方，上底面置于顶板1上，该弹性预紧组件具有与导轨5运动方向相垂直的单一直线自由度。

如图2所示，为所述的音叉形压电电机9的音叉形金属体10，音叉形金属体10部分结构如音叉，由头部肩部腿部三部分组成，整体因宽度的不同整体呈阶梯状，头部为矩形块，由于头部位于振动节点附近，弹性形变相对最小，可用于弹性预紧组件的安装，从而固定音叉形压电电机9，为音叉形压电电机9提供预紧力；肩部宽度宽于头部；腿部为两长条形长方体构成音叉形压电电机9的驱动部分，腿部上方与肩部结合处四周粘贴有六片压电陶瓷片4，腿部与肩部的结合处内侧位置对称开有圆弧槽，使压电电机的两种工作模态频率接近，便于驱动，同时圆弧槽改变了音叉形压电电机9前后的质量比，使振动的能量更多的集中在腿部末端的驱动足处，实现动力的放大，使音叉形压电电机9有更大的输出力和输出速度。

如图3、图4所示，所述的六片矩形压电陶瓷片4分别粘贴在音叉形金属体10腿部上方和肩部的结合处的四周；该矩形压电陶瓷片4沿厚度方向极化，由于音叉形金属体10腿部宽度小于厚度，因此前后四片压电陶瓷片4（尺寸3mm×7mm×0.7mm）的小于左右两片（尺寸5.4mm×8.5mm×0.7mm），六片压电陶瓷片4的负极分别粘贴于在音叉形金属体10上，共同接地。

如图5所示为施加在所述六片矩形压电陶瓷片4的电压激励信号，前后四片施加相同的激励信号，左右两片施加相同的激励信号，且两组驱动信号的相位差为π/2。

实施例1

该电机具有两种模态组成双模态组合的可能，第一种是面内同向弯曲与双足面外交叉振动的复合，第二种是面外同侧弯曲与双足对向振动的复合，本实施例选用第一种模态组合。

工作模态A的激励原理：

当对音叉形金属体10上前后四片矩形压电陶瓷片4施加sinωt的交变驱动信号，如图6所示，当正弦交流电压信号的频率接近于音叉形金属体10的双足面外交叉振动工作模态A（即音叉形金属体10的第二阶模态）的共振频率时，将激励出音叉形金属体10的工作模态A，此时音叉形金属体10的两个驱动足沿厚度方向前后弯曲，从而导致两个驱动足在水平方向上前后弯曲振动，且两个驱动足的弯曲方向相反。同时音叉形金属体10的头部位于振动节点附近，弹性变形相对最小，可用于安装弹性预紧组件，从而固定压电电机。

工作模态B的激励原理：

当对音叉形金属体10上左右两片矩形压电陶瓷片4施加cosωt的交变驱动信号，如图7所示，当余弦交流电压信号的频率接近于音叉形金属体10的面内同向弯曲振动工作模态B（即音叉形金属体10的第三阶模态）的共振频率时，将激励出音叉形金属体10的工作模态B，此时音叉形金属体10的两个驱动足沿宽度方向左右弯曲，从而导致两个驱动足在轴线方向交替上下振动，两个驱动足的弯曲方向相同。同时音叉形金属体10的头部位于振动节点附近，弹性变形相对最小，可用于安装弹性预紧组件，从而固定压电电机。

当同时激励两个模态时，由于驱动前后四片压电陶瓷片4的激励信号与驱动左右两片压电陶瓷片4的激励信号在时间上具有π/2的相位差，因此激励出的两种工作模态，工作模态A和工作模态B在空间上具有π的相位差，故上述两个工作模态会在音叉形压电电机9驱动足的末端形成椭圆形的运动轨迹，由于弹簧2的弹性力使定子组件压在导轨5上，音叉形压电电机9驱动足末端的椭圆运动轨迹在弹簧2的作用下形成摩擦驱动力，驱动导轨5向前作直线运动，若两组驱动信号的相位差变成-π/2，则导轨5的直线运动反向。由于音叉形超声电机双足驱动的特点，导轨的驱动摩擦面可以是平面，也可以是外凸或内凹的形式。

实施例2

该电机具有两种模态组成双模态组合的可能，第二种是面外同侧弯曲与双足对向振动的复合。

工作模态C的激励原理：

当对音叉形金属体10上左右两片矩形压电陶瓷片4施加cosωt的交变驱动信号，如图8所示，当余弦交流电压信号的频率接近于音叉形金属体10的双足对向振动工作模态C（即音叉形金属体10的第一阶模态）的共振频率时，将激励出音叉形金属体10的工作模态C，此时音叉形金属体10的两个驱动足在平面内沿宽度方向左右对向来回弯曲，从而导致两个驱动足在轴线方向交替上下振动，两驱动足弯曲方向相反。同时音叉形金属体10的头部位于振动节点附近，弹性变形相对最小，可用于安装弹性预紧组件，从而固定压电电机。

工作模态D的激励原理：

当对音叉形金属体10上前后四片矩形压电陶瓷片4施加

的交变驱动信号，如图6所示，当正弦交流电压信号的频率接近于音叉形金属体10的面外同侧弯曲振动工作模态D（即音叉形金属体10的第四阶模态）的共振频率时，将激励出音叉形金属体10的工作模态D，此时音叉形金属体10的两个驱动足沿厚度方向同时前后弯曲振动，从而导致两个驱动足在水平方向上前后弯曲振动，两驱动足弯曲方向相同。同时音叉形金属体10的头部位于振动节点附近，弹性变形相对最小，可用于安装弹性预紧组件，从而固定压电电机。

当同时激励两个模态时，由于驱动前后四片压电陶瓷片4的激励信号与驱动左右两片压电陶瓷片4的激励信号在时间上具有π/2

的相位差，因此激励出的两种工作模态，工作模态C和工作模态D在空间上具有π的相位差，故上述两个工作模态会在音叉形压电电机9驱动足的末端形成椭圆形的运动轨迹，由于弹簧2的弹性力使定子组件压在导轨5上，音叉形压电电机9驱动足末端的椭圆运动轨迹在弹簧2的作用下形成摩擦驱动力，驱动导轨5向前作直线运动，若两组驱动信号的相位差变成-π/2，则导轨5的直线运动反向。由于音叉形超声电机双足驱动的特点，导轨5的驱动摩擦面可以是平面，也可以是外凸或内凹的形式。

Claims (4)

1.一种音叉形双足直线压电电机，包括音叉形压电电机(9)、运动导轨组件和弹性预紧组件，其特征在于：所述音叉形压电电机(9)由一音叉形金属体(10)和六片矩形压电陶瓷片(4)组成，所述压电陶瓷片(4)贴于音叉形金属体(10)的肩部与腿部的结合处；所述弹性预紧组件为矩形支架(3)通过紧定螺钉(8)固定在音叉形压电电机(9)的振动节点附近，音叉形压电电机(9)通过弹性预紧组件上方的固定于顶板(1)底部的弹簧(2)产生的弹性力与音叉形压电电机(9)下方的运动导轨组件中的导轨(5)接触；所述运动导轨组件由导轨(5)通过滑块(7)安装在基座(6)上；工作过程中音叉形压电电机(9)的对称轴始终与导轨(5)面垂直，该弹性预紧组件具有与导轨(5)运动方向相垂直的单一线性自由度；

所述音叉形压电电机(9)由音叉形金属体(10)和六片矩形压电陶瓷片(4)组成，所述音叉形金属体(10)部分结构如音叉，由头部肩部腿部三部分组成，头部为矩形块，由于头部位于振动节点附近，具有相对最小弹性形变，用于与弹性预紧组件的安装，从而固定音叉形压电电机(9)，为音叉形压电电机(9)提供预紧力；肩部宽度宽于头部，肩部下为腿部；腿部为两长条形长方体，构成音叉形压电电机(9)的驱动部分，腿部上方与肩部结合处四周粘贴有六片矩形压电陶瓷片(4)，腿部与肩部的结合处内侧对称开有圆弧槽，使振动的能量更多的集中在腿部末端，实现动力放大。

2.根据权利要求1所述的音叉形双足直线压电电机，其特征在于：所述六片矩形压电陶瓷片(4)粘贴于腿部上端和肩部的结合处的四周，且沿厚度方向极化，音叉形金属体(10)肩部的六个表面分别与矩形压电陶瓷片(4)的负极重合，共同接地。

3.根据权利要求1所述的音叉形双足直线压电电机，其特征在于：对所述六片矩形压电陶瓷片(4)中沿音叉形金属体(10)厚度方向的四片和宽度方向上的两片的正极分别施加具有π/2相位差的正弦交流电压信号，激励出音叉形金属体(10)在空间上正交的两个工作模态，所述两个工作模态在驱动足末端的厚度平面内耦合出椭圆运动轨迹，在弹性预紧组件的作用下，通过摩擦力驱动导轨(5)做直线运动；当施加在压电陶瓷片(4)上的激励电压信号相位差切换为-π/2时，导轨(5)的直线运动反向。

4.根据权利要求1所述的音叉形双足直线压电电机，其特征在于：音叉形压电电机(9)具有两种模态组成双模态组合的可能，第一种是面外同侧弯曲与双足对向振动的复合，第二种是面内同向弯曲与双足面外交叉振动的复合。

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